水力空化強化H2O2-Vc體系糖汁脫色的研究

姜繼平，黃永春，黃承都*，楊鋒

(1.廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2.廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006)

色值是衡量制糖工藝效果的重要指標[1]。傳統的糖汁脫色方法存在能量消耗大、SO2殘余量高等問題[2,3]，制約著制糖業的發展和進步。將H2O2-Vc體系應用于糖汁脫色，主要利用過氧化氫釋放的·OH的氧化性進行脫色[4]，以VC作為催化劑，加快了·OH的產生速率。

水力空化作為一種化工過程強化技術，具有空化場均勻、能量消耗低、操作簡單等優點[5,6]。水力空化與H2O2氧化法結合能夠提高·OH自由基的產量[7]。空化過程中產生空化泡，空化泡在潰滅瞬間會引起局部高溫、高壓和高射流，產生機械剪切力和釋放·OH自由基[8,9]，同時伴隨著復雜的物理化學變化，對糖汁脫色起到一定的強化作用[10]。

本研究將水力空化應用于H2O2-Vc體系糖汁脫色工藝，考察水力空化強化作用對糖汁脫色率的影響，為水力空化應用于糖汁脫色提供了理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

粗制白砂糖：廣西東亞糖業有限公司；30%過氧化氫：AR，西隴科學股份有限公司；維生素C：AR，上海麥克林生化有限公司。

BS224S型電子分析天平 北京賽多利斯儀器系統有限公司；SL-2010N智能低溫恒溫槽 南京順流儀器有限公司；T6新世紀型紫外可見分光光度計 北京普析通用儀器有限責任公司；2WAJ型阿貝折光儀 上海申光儀器儀表有限公司。

1.2 水力空化實驗裝置

水力空化實驗裝置見圖1。

圖1 水力空化實驗裝置

注：1為溶液儲箱；2為泵；3為壓力表；4為空化器；5為循環水箱；V為閥門。

1.3 測定方法

將粗制白砂糖溶于蒸餾水中，加入一定量的Vc和過氧化氫，混合均勻后加入水力空化溶液儲箱中，在一定溫度下反應一定時間，待反應后的糖汁溫度最接近原汁溫度時，取適量待測定的糖汁，在室溫下，用阿貝折光儀測出折光錘度，并記下折光儀上顯示的溫度，再用阿貝折射儀顯示的溫度查表得出觀測錐度，又通過觀測錘度查表得出視密度。再利用紫外可見分光光度計測出相應糖汁的吸光度A，測量時將光度計的波長調節為560 nm，空白液為蒸餾水。

糖汁色值的計算公式：IU560 nm=1000×A560 nm/(b×c)。

式中：IU560 nm為波長560 nm處的國際糖色值；A560 nm為波長560 nm處測得樣液的吸光度；b為比色皿厚度，cm；c為固溶物的修正濃度(20 ℃)，g/mL；c為折光錘度×20 ℃時的相應視密度/100。

式中：A0為原糖汁色值IU560 nm；A為脫色后糖汁色值IU560 nm。

1.4 單因素試驗

1.4.1 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

取5份濃度分別為15%、25%、35%、45%、55%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再加入5%的過氧化氫20 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應8 min，考察糖汁濃度對糖汁脫色率的影響。

1.4.2 Vc用量對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中分別加入1 mol/L的Vc 15，25，35，45，55 mL，再加入5%的過氧化氫20 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應8 min，考察Vc用量對糖汁脫色率的影響。

1.4.3 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL，再分別加入5%的過氧化氫20，30，40，50，60 mL，將5份溶液均在60 ℃的水力空化裝置中反應8 min，考察過氧化氫用量對糖汁脫色率的影響。

1.4.4 空化時間對糖汁脫色率的影響

取5份濃度為35%的糖汁，每份1000 mL。每份糖汁中加入1 mol/L的Vc 45 mL ，再加入5%的過氧化氫40 mL，將5份溶液在60 ℃的水力空化裝置中分別反應4，5，6，7，8 min，考察空化時間對糖汁脫色率的影響。

1.5 響應面優化

綜合單因素試驗結果，固定糖汁濃度35%、反應溫度60 ℃，選取Vc用量(A)、H2O2用量(B)、空化時間(C)3個因素，以糖汁脫色率為響應值，優化水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色的工藝，試驗因素水平見表1。

表1 響應面因素水平表

2 結果與分析

2.1 單因素試驗結果與分析

2.1.1 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

圖2 糖汁濃度對糖汁脫色率的影響

由圖2可知，隨著糖汁濃度的增大，脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢。當糖汁濃度為35%時，糖汁脫色率達到最大值，為53.8%。隨著糖汁濃度繼續增大，脫色率明顯下降，這是因為隨著糖汁濃度增大，溶液的黏度升高，蒸汽壓下降，空化產生困難，空化效應減弱，因而強化脫色作用逐漸降低[11]。因此，糖汁濃度選擇35%較為適宜。

2.1.2 Vc用量對糖汁脫色率的影響

圖3 Vc用量對糖汁脫色率的影響

由圖3可知，隨著Vc用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當Vc用量為45 mL時，糖汁脫色率達到最大值，為55.0%，這表明在水力空化強化作用下，增加Vc用量，可釋放更多的·OH自由基，促進了糖汁的脫色；當Vc用量繼續增加，糖汁脫色率下降，這表明反應達到飽和，過量的Vc并不能增大糖汁的脫色率[12]。因此，Vc用量選擇45 mL較為適宜。

2.1.3 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

圖4 H2O2用量對糖汁脫色率的影響

由圖4可知，隨著H2O2用量的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當過氧化氫的用量為40 mL時，糖汁脫色率達到最大值，為56.9%，這是因為過氧化氫用量增加了·OH自由基的生成速率，與過氧化氫反應的色素分子逐漸被氧化，水力空化作用產生的微射流增大了試劑的接觸面積，使反應速率加快，且水力空化作用本身也會產生一部分·OH自由基，另外，水力空化能催化H2O2分解產生更多的·OH自由基，水力空化和H2O2-Vc體系二者產生協同作用，使得糖汁的脫色率顯著升高[13]；但過氧化氫用量繼續增大后，脫色率開始下降，這是因為反應已經達到飽和，過量的過氧化氫會與·OH反應生成H2O和O2，消耗了部分過氧化氫。因此，H2O2用量選擇40 mL較為適宜。

2.1.4 空化時間對糖汁脫色率的影響

圖5 空化時間對糖汁脫色率的影響

由圖5可知，隨著空化時間的增加，糖汁脫色率明顯呈先上升后下降的趨勢，當空化時間為6 min時，糖汁脫色率達到最大值，為58.9%，這是因為時間過短，過氧化氫無法完全分解產生·OH自由基，隨著空化時間增大，過氧化氫分解的·OH自由基越來越多，糖汁脫色率明顯增大，當空化時間在一定范圍內，水力空化在大范圍內形成一個比較均勻的空化強化場，能夠使溶液混合更加均勻，擁有更大的表面積，從而提高糖汁的脫色率；繼續增大空化時間，糖汁脫色率開始下降，這是因為空化時間長，糖汁中綠原酸等多酚類化合物被氧化為顏色更深的物質，糖汁色值增大，由此說明脫色率與空化時間有很大關系[14]。因此，空化時間選擇6 min 較為適宜。

2.2 響應面優化試驗結果與分析

2.2.1 響應面試驗結果

根據Box-Behnken 中心組合設計原理，在單因素試驗基礎上，選取Vc用量、過氧化氫用量、空化時間3個因素為自變量，以脫色率為響應值，設計三因素三水平的響應面分析試驗，試驗設計方案及結果見表2。

表2 Box-Behnken 中心試驗設計方案及結果

2.2.2 回歸模型的建立和方差分析

將表2中的試驗數據進行回歸擬合，得到空化時間、過氧化氫用量、Vc用量的相關回歸系數，其回歸方程為：Y=-308.23125+11.65125A+4.49625B-0.36250C-0.10100A2-0.045500B2+0.72500C2-0.016000AB-0.22750AC+0.027500BC。

所得的方差分析表見表3。

表3 回歸方程的方差分析表

注：P<0.01為極顯著，用“**”表示；0.010.05為不顯著。

由表3可知，回歸方程模擬的P<0.0001，為極顯著水平，而失擬項P=0.0676>0.05，水平不顯著，表明模型與實際結果擬合較好，自變量與響應值關系顯著，因此可以用于水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色工藝的分析和預測。因素A和因素B的P值均小于0.01，說明Vc用量、過氧化氫用量對糖汁脫色率的影響極顯著，3個因素對糖汁脫色率影響強弱排序為：Vc用量>過氧化氫用量>空化時間；A2和B2的P值均小于0.01，說明二次項中Vc用量、過氧化氫用量這兩個因素對糖汁脫色率影響極顯著，即Vc用量、過氧化氫用量都是在糖汁脫色過程中需要主要控制的因素；各因素交互作用AB的P值小于0.05， AC的P值小于0.01，BC的P值大于0.05，說明Vc用量和過氧化氫用量之間的交互作用顯著，Vc用量和水力空化時間的交互作用極顯著，過氧化氫用量和水力空化時間的交互作用不顯著。

2.2.3 變異系數

響應面試驗結果變異系數見表4。

表4 響應面試驗結果變異系數

由表4可知，模型的回歸決定系數R2=0.9902，說明響應值的變化有99.02%來源于所選因素的變化，即回歸模型具有高度相關性；校正決定系數RAdj2=0.9776，表明僅有不到3%的試驗數據不能用該模型進行解釋；預測R2=0.8712，也能合理地說明校正決定系數RAdj2=0.9776值的變化；變異系數(C.V.)=2.15%，說明該模型有2.15%的變異不能由該模型解釋。綜上所述，該模型的擬合度較好，可用該模型代替真實試驗點在因素設置范圍內對糖汁脫色率進行分析和預測。

2.2.4 糖汁脫色率工藝條件的驗證

根據Design Expert軟件分析，獲得糖汁脫色率的最佳工藝條件為：Vc用量48.06 mL，過氧化氫用量42.87 mL，空化時間5.61 min，在此條件下糖汁脫色率為60.68%。考慮到實際試驗操作條件，因此將Vc用量調整為48 mL，過氧化氫用量為43 mL，空化時間為6 min，在此條件下進行3次平行試驗，平均糖汁脫色率為60.3%。與預測值60.68%基本一致，表明該模型與實際情況擬合較好，可以較好預測糖汁的脫色率。

3 結論

本試驗通過單因素試驗和響應面分析探究了水力空化強化H2O2-Vc體系對糖汁脫色率的影響，考察了糖汁濃度、Vc用量、過氧化氫用量和空化時間對糖汁脫色率的影響，在單因素試驗的基礎上對影響糖汁脫色率的因素進行篩選，選取Vc用量、過氧化氫用量和空化時間3個因素為自變量，以脫色率為響應值進行響應面試驗，得到糖汁脫色率最佳工藝為：糖汁濃度35%，Vc用量48 mL，過氧化氫用量43 mL，空化時間6 min，在此條件下糖汁脫色率為60.3%，明顯高于無水力空化條件下H2O2-Vc體系的糖汁脫色率(42.9%)，為水力空化應用于糖汁脫色工藝提供了理論參考。